任 鑫，梁習(xí)鋒，楊明智，李軍產(chǎn)

(1．中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南長沙410075;2．中南大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，湖南長沙410075)

在強橫風(fēng)作用下，列車受到了較大的氣動橫向力和升力，有可能導(dǎo)致列車脫軌傾覆，直接影響著列車的安全［1－6］。對于一些特殊的風(fēng)環(huán)境，如高架橋、路堤等路段，列車的繞流流場改變更為突出，氣動力增大，導(dǎo)致列車脫軌、翻車的可能性大大增加［7－9］。在我國，亞歐大陸橋重要通道的蘭新線，穿越新疆大風(fēng)戈壁地區(qū)，自然條件十分惡劣，其百里風(fēng)區(qū)瞬時最大風(fēng)速達64 m/s，約為12級風(fēng)速的2倍，是世界鐵路風(fēng)速之最［10］。自通車以來，屢次發(fā)生列車被吹翻的重大事故［11－12］。大風(fēng)季節(jié)，由于風(fēng)力過大，迫使列車經(jīng)常停輪，大批旅客被滯留，給旅客出行帶來極大不便，嚴重制約了西部經(jīng)濟的發(fā)展。機車是鐵路運輸?shù)臓恳齽恿?，是鐵路列車最關(guān)鍵的設(shè)備，過去由于機車牽引速度不大，國內(nèi)外專家都把主要精力集中于速度更快的車輛和動車組的研究中，關(guān)于機車特別是高速機車氣動性能方面的研究比較少。隨著我國對高速客運與貨運的要求不斷提高，對牽引力更大、氣動性能更優(yōu)的高速機車氣動性能的研究顯得十分重要［13］。

1 數(shù)值計算理論基礎(chǔ)

采用穩(wěn)態(tài)、三維不可壓N－S方程和工程上常用的k－ε雙方程湍流模型，運用大型流體數(shù)值計算軟件FLUENT對強側(cè)風(fēng)作用下高速機車車體的氣動性能進行模擬分析。在計算時進行以下假設(shè):

(1)忽略空氣密度的變化，認為流體為不可壓縮;

(2)假設(shè)流動中無熱量交換，不考慮能量守恒方程。

連續(xù)性方程:divV=0。

X方向動量方程:

Y方向動量方程:

Z方動量方程:

湍流動能k方程:

湍流動能耗散率ε方程:

上述方程均忽略了空氣的質(zhì)量力。式中:V為速度矢量;u，v和w為各坐標方向的速度分量;ρ為空氣密度;μe和Pe分別為有效黏性系數(shù)和有效壓力;其值與湍流動能k和湍流動能耗散率ε有關(guān)。上述方程組6個方程含有6個未知量:u，v，w，P，k和ε，方程組封閉，可對它進行數(shù)值求解。其中常系數(shù) C1=1．44;C2=1．92;σε=1．3;σk=1．0。

2 數(shù)值計算模型

2．1 模型的簡化

(1)列車是近地運行的龐大細長物體，為在相同條件下，比較不同橫斷面車體氣動性能，即排除不同車頭形狀對車體的影響，因此，取列車車體長度足夠長。

(2)在自然環(huán)境下，機車所受到的強側(cè)風(fēng)是隨時間和空間變化的，但研究機車的橫向穩(wěn)定性時，通常只關(guān)注其受到的最大橫向力和傾覆力矩，因此，計算時，在速度入口加入均勻來流，其值為最大橫風(fēng)風(fēng)速［14］。

(3)空氣為不可壓縮流體。強側(cè)風(fēng)速度一般不會大于64 m/s，馬赫數(shù)小于0．3，因此，可視為不可壓縮流動。

2．2 幾何模型

計算區(qū)域長度方向尺寸的選取原則是使計算區(qū)域下游邊界盡可能遠離列車尾部，以避免出口截面受到列車尾流的影響，便于出口邊界條件的給定，寬度應(yīng)避免阻塞效應(yīng)影響。具體尺寸如圖1所示。

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行離散。車體表面單元為三角形網(wǎng)格，體單元為非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約為200萬，物面網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 計算區(qū)域Fig．1 Computational zone

圖2 機車頭部網(wǎng)格Fig．2 Mesh of locomotive head

2．3 邊界條件

為消除地板附面層的影響，如圖1所示，地面ABCD給定滑移邊界條件，法向速度為0，切向速度與車速速度大小相同，方向相反;在截面AEHD以及面ABFE、面DCGH頂面EFGH設(shè)為速度進口，按均勻來流給定X向速度分布，即X向給定流速，Y和Z向速度分量均為0;出口截面BFGC為壓力出口，靜壓為0;車體表面為無滑移壁面邊界條件。

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果與分析

3．1 路堤高度對氣動性能的影響

本文應(yīng)用工程中典型路況:平地(路堤0 m)，路堤3 m，路堤5 m，路堤8 m?？紤]比較危險的工況，給機車加載風(fēng)向角為90°，速度為35 m/s的風(fēng)速。表1所示為不同車速下主要氣動性能指標(側(cè)向力、升力和傾覆力矩)在不同路堤高度下的值。

表1 機車在不同車速、不同路堤高度下的氣動力Table 1 Force of aerodynamic of different speed with embankment height

由表1可知，在其他條件不變的情況下，以車速為200 km/h的氣動性能為例，當(dāng)路堤高度從0 m增加到8 m時，高速機車的主要氣動性能指標:側(cè)向力增大了57．1%，升力增大了71．6%，傾覆力矩的絕對值增大了52．6%。

3．2 車速對氣動性能的影響

研究列車風(fēng)與環(huán)境風(fēng)耦合作用下，機車速度對機車在路堤上運行氣動性能影響。確定風(fēng)速為35 m/s，風(fēng)向角為90°，路堤高度為8 m，列車車速從180 km/h增大到220 km/h。圖3所示為各氣動力隨車速的變化曲線。

圖3 氣動力隨車速變化曲線Fig．3 Curves of aerodynamic force with train speed

從圖3可以看出:當(dāng)橫風(fēng)速度及風(fēng)向角一定時，機車運行速度的變化對機車受到的氣動力(指側(cè)向力、升力和傾覆力矩)影響相對較小;當(dāng)橫風(fēng)速度為35 m/s，風(fēng)向角為90°，機車速度從180 km/h到220 km/h時，機車的側(cè)向力增加了5．4%，升力增加了15．5%，傾覆力矩增加了6．0%。

3．3 橫風(fēng)風(fēng)速對氣動性能的影響

研究列車風(fēng)與環(huán)境風(fēng)耦合作用下，橫風(fēng)風(fēng)速對機車在路堤上運行氣動性能影響。橫風(fēng)速度從15 m/s到35 m/s，機車速度為200 km/h，風(fēng)向角為90°，路堤高度為8 m。圖4所示為氣動力隨橫風(fēng)風(fēng)速變化曲線。

圖4 氣動力隨橫風(fēng)風(fēng)速變化曲線Fig．4 Curves of aerodynamic forces with crosswind speed

從圖4可以看出:車速及風(fēng)向角一定時，橫風(fēng)風(fēng)速的變化對機車受到的氣動力(指側(cè)向力、升力和傾覆力矩)影響較大;當(dāng)機車車速為200 km/h，風(fēng)向角為90°，橫風(fēng)風(fēng)速從15 m/s到35 m/s時，機車的側(cè)向力增加了2．94倍，升力增加了1．98倍，傾覆力矩增加了2．88倍。

圖5所示為機車以200 km/h速度在平地上運行，風(fēng)向角為90°，在不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，機車橫截面壓力分布云圖和流線圖。從壓力云圖可以看出:由于氣流滯止，機車迎風(fēng)側(cè)受正壓;氣流在機車的頂部和底部加速，氣流膨脹，因此，頂部和底部為負壓，頂部負壓一般會比頂部的大，機車受到正的升力;背風(fēng)面處于頂部氣流分離產(chǎn)生的漩渦區(qū)，其壓力與渦區(qū)上方主流區(qū)的壓力相同，為負壓。隨著風(fēng)速的增加，對應(yīng)的迎風(fēng)面和背風(fēng)面、頂部和底部的壓強也增大，側(cè)向力和升力也增大。

圖5 不同橫風(fēng)風(fēng)速下機車橫截面壓力云圖和流線圖Fig．5 Pressure contour and flown lines under different crosswind speeds

3．4 風(fēng)向角對氣動性能的影響

研究列車風(fēng)與環(huán)境風(fēng)耦合作用下，橫風(fēng)風(fēng)向角對機車在路堤上運行氣動性能影響。橫風(fēng)風(fēng)向角為30°～90°，機車速度為200 km/h，橫風(fēng)速度為35 m/s，路堤高度為8 m。圖6所示為氣動力隨橫風(fēng)風(fēng)向角變化曲線。

圖6 氣動力隨橫風(fēng)風(fēng)向角變化曲線Fig．6 Curves of aerodynamic force with crosswind angle

從圖6可以看出:車速及橫風(fēng)風(fēng)速一定時，橫風(fēng)風(fēng)向角的變化對機車受到的氣動力(指側(cè)向力、升力和傾覆力矩)影響較大。機車車速為200 km/h，橫風(fēng)風(fēng)速為35 m/s;當(dāng)橫風(fēng)風(fēng)向角為30°～90°時，機車的側(cè)向力增加了1．50倍，升力增加了0．95倍，傾覆力矩增加了1．52倍。

4 結(jié)論

(1)在橫風(fēng)條件下，當(dāng)風(fēng)速和風(fēng)向角相同時，機車的氣動力(側(cè)向力、升力和傾覆力矩)均隨著車速的增大而增大，但由于車速相差不大，氣動力增幅較小。

(2)當(dāng)車速和風(fēng)速相同時，機車的氣動力均隨著風(fēng)向角的增大而增大。

(3)當(dāng)車速和風(fēng)向角相同時，機車的氣動力均隨著風(fēng)速的增大而增大。

(4)在路堤高度為0～8m時，高度越大，車輛所受到的側(cè)向力、升力和傾覆力矩越大。

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